機(jī)器視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)的高科技系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)攝取的視頻和圖像進(jìn)行處理與分析，對得到的信息做出相應(yīng)的判斷，進(jìn)而發(fā)出對設(shè)備的控制指令。機(jī)器視覺系統(tǒng)根據(jù)其具體應(yīng)用而千差萬別，視覺系統(tǒng)本身也可能有多種不同的形式，包括圖像采集（含光源、光學(xué)成像、數(shù)字圖像獲取與傳輸）圖像處理與分析等環(huán)節(jié)。機(jī)器視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）照明光源

照明直接作用于系統(tǒng)的原始輸入，對輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞有直接的影響。由于被測對象、環(huán)境和檢測要求千差萬別，因而不存在通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，需要針對每個(gè)具體的案例來設(shè)計(jì)照明的方案，要考慮物體和特征的光學(xué)特性、距離、背景，根據(jù)檢測要求具體選擇光的強(qiáng)度、顏色和光譜組成均勻性、光源的形狀、照射方式等。目前使用的照明光源主要包括高頻熒光燈、鹵素?zé)艉?a target="_blank">LED等。

（2）鏡頭

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當(dāng)于人的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器（相機(jī)）的光敏面陣上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。合理選擇鏡頭、設(shè)計(jì)成像光路是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鏡頭成像或多或少會(huì)存在畸變，應(yīng)選用畸變小的鏡頭，有效視場只取畸變較小的中心視場。此外，受鏡頭鍍膜的干涉特性和材料的吸收特性影響，要求盡量做到鏡頭最高分辨率的光線應(yīng)與照明波長、CCD器件接受波長相匹配，并使光學(xué)鏡頭對該波長的光線透過率盡可能提高。

FOV（ Field Of Vision）=所需分辨率*亞象素*相機(jī)尺寸/PRTM（零件測量公差比） 選擇鏡頭時(shí)應(yīng)注意考慮分辨率、焦距、光圈、景深、 成像尺寸、視場角、畸變等。

（3）高速攝像機(jī)

攝像機(jī)是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件，它將光學(xué)成像系統(tǒng)所形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成視頻/數(shù)字電信號(hào)。通常，攝像機(jī)由核心的光電轉(zhuǎn)換器件、外圍電路、輸出控制接口組成。固態(tài)圖像傳感器主要有五種類型：電荷耦合器件CCD（ Charge Coupled Device），電荷注人器件CID（ Charge Injection Device），金屬-氧化物半導(dǎo)體MOS，電荷引發(fā)器件 CPD和疊層型攝像器件。相機(jī)按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)線掃描CCD和面陣CCD、單色相機(jī)和彩色相機(jī)等。要根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用場合選擇不同的相機(jī)，除了考察其光電轉(zhuǎn)換器件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)速度、檢測的視野范圍、系統(tǒng)所要達(dá)到的精度等因素。

CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器，它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世 紀(jì)70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路（ VLSI）制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

工業(yè)攝像機(jī)接口類型包括模擬接口、CameraLink、1394a、1394b、USB2. 0、GigE、Ethernet等。

（4）圖像采集處理卡

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)并不能為計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，需要通過圖像采集卡將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，形成計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字圖像，并提供與計(jì)算機(jī)的高速接口。圖像采集卡就是進(jìn)行視頻信息量化處理的重要工具，主要完成對模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化過程。視頻信號(hào)首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào);按照應(yīng)用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行間隔采樣，把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號(hào);然后再由AVD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。而圖像采集/處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)，還具有對視頻圖像進(jìn)行分析、處理的功能，并同時(shí)可對相機(jī)進(jìn)行有效的控制。

（5）視覺處理軟件

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于視覺處理方法，視覺處理軟件可以分為圖像預(yù)處理和特征分析理解兩個(gè)層次。圖像預(yù)處理包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。圖像特征分析理解是對目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測和各種物理量的計(jì)算，以獲得對目標(biāo)圖像的客觀描述，主要包括圖像分割、特征提取（幾何形狀、邊界描述、紋理特性）等。機(jī)器視覺中 常用的算法包括搜索、邊緣（ Edge）、Blob分析、卡尺工具（Caliper Tool）、光學(xué)字符識(shí)別、色彩分析等。

（6）硬件處理平臺(tái)

從硬件平臺(tái)的角度說，計(jì)算機(jī)在CPU和內(nèi)存方面的改進(jìn)給視覺系統(tǒng)提供了很好的支撐，多核CPU配合多線程的軟件可以成倍提高速度。伴隨DSP、 FPGA技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理模塊以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、集成性模塊化和無需復(fù)雜操作系統(tǒng)支持等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的重視。

總體而言，機(jī)器視覺系統(tǒng)是一個(gè)光機(jī)電和計(jì)算機(jī)高度綜合的系統(tǒng)，其性能并不僅由某一個(gè)環(huán)節(jié)決定。每一個(gè)環(huán)節(jié)都很完美，，也未必意味著最終性能的滿意。系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)是機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)和基礎(chǔ)，急常加強(qiáng)。
編輯:lyn